DE10157378A1

DE10157378A1 - Messgerät zur berührungslosen Abstandsmessung

Info

Publication number: DE10157378A1
Application number: DE10157378A
Authority: DE
Inventors: Joerg Stierle; Peter Wolf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-11-22
Filing date: 2001-11-22
Publication date: 2003-06-05
Anticipated expiration: 2021-11-23
Also published as: CN100442079C; CN1636148A; DE10157378B4; JP2005510739A; WO2003046604A2; WO2003046604A3; EP1451607A2; US20040263825A1; US7142288B2

Abstract

Es wird ein Meßgerät zur berührungslosen Abstandsmessung angegeben, das einen optischen Sendepfad (12) mit einem optischen Sender (22) und einen optischen Empfangspfad (13) mit einer Empfängeroptik (29) und einem optischen Empfänger (30) sowie ein diese Komponenten von Sende- und Empfangspfad (12, 13) aufnehmendes Gerätemodul (11) aufweist. Zur Beibehaltung einer hohen Meßgenauigkeit über den gesamten Temperaturbereich sind die Komponenten von Sende- und Empfangspfad (12, 13) so plaziert, daß bei einer temperaturbedingten Krümmung des Gerätemoduls (11) in Richtung der optischen Achsen (121, 131) von Sende- und Empfangspfad (12, 13) die optischen Achsen (121, 131) um den gleichen Betrag in die gleiche Richtung ausgelenkt werden. Vorzugsweise sind hierzu Sende- und Empfangspfad (12, 13) derart gefaltet, daß Sender (22) und Empfänger (30) gemeinsam auf einer ebenen, im Gerätemodul (11) fixierten Befestigungsfläche, vorzugsweise einer Leiterplatte (15) zur Aufnahme elektronischer Komponenten, liegen (Fig. 2).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zur berührungslosen Abstandsmessung, insbesondere Handgerät, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches, als Handgerät konzipiertes Meßgerät, auch als Entfernungsmeßgerät bezeichnet, ist beispielsweise aus der DE 198 04 051 A1 oder DE 196 52 438 C2 bekannt. Das Meßgerät arbeitet nach dem Prinzip der Laufzeitenmessung, indem vom Sendepfad ein Lichtsignal oder Lichtimpuls zu dem angemessenen Objekt ausgesandt wird, das oder der am Objekt reflektiert und über dem Empfangspfad von dem Meßgerät wieder aufgenommen wird, und die Laufzeit des Lichtsignals oder des Lichtimpulses, das ist die Zeitspanne zwischen Sendezeitpunkt und Empfangszeitpunkt, gemessen wird. Diese Zeitspanne ist ein Maß für die Entfernung, die unter Berücksichtigung der Lichtgeschwindigkeit berechnet und auf einem Display angezeigt wird. Die Laufzeit läßt sich beispielsweise durch Korrelation von Sende- und Empfangssignal bestimmen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Meßgerät zur berührungslosen Abstandsmessung hat den Vorteil, daß durch die erfindungsgemäße Plazierung der Komponenten erreicht wird, daß über den gesamten Temperaturbereich der vom optischen Sendepfad auf einem angemessenen Objekt erzeugte Lichtfleck im optischen Empfangspfad abgebildet, also gesehen wird. Damit beeinflußt eine temperaturbedingte Krümmung des die Komponenten tragenden Gerätemoduls nicht den Meßvorgang, und über den optischen Empfangspfad wird immer die maximal mögliche Lichtintensität des über den optischen Sendepfad ausgesandten Lichtstrahls aufgenommen, so daß auch die Meßempfindlichkeit des Meßgeräts über den gesamten Temperaturbereich erhalten bleibt.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildung und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Meßgeräts möglich.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Sende- und Empfangspfad optisch derart gefaltet, daß Sender und Empfänger gemeinsam auf einer ebenen, im Gerätemodul fixierten Befestigungsfläche liegen. Durch die Faltung der beiden optischen Pfade kann zum einen die Empfangsoptik kürzer sein, zum anderen aber ohne zusätzliche optische Bauteile, wie z. B. den Wirkungsgrad der Empfangsoptik deutlich verringernde Lichtleiter, Sender und Empfänger in die gemeinsame Befestigungsfläche verlegt werden. Krümmt sich das Gerätemodul temperaturbedingt, so krümmt sich auch die an diesem fixierte Befestigungsfläche, und der vom Sender erzeugte Lichtfleck auf dem Meßobjekt und das Gesichtsfeld des Empfängers am Meßobjekt wandern in gleicher Weise aus. Lichtfleck und Gesichtsfeld bleiben somit auch bei Temperaturveränderung deckungsgleich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Gerätemodul einen Optikträger und eine fest mit dem Optikträger verbundene Leiterplatte auf, die die Befestigungsfläche für den optischen Sender und den optischen Empfänger bildet. Die optische Faltung von Sende- und Empfangspfad wird mittels im Optikträger angeordneter Umlenkspeigel vorgenommen. Durch die Unterbringung von Sender und Empfänger einschließlich ihrer elektronischen Bauteile auf einer gemeinsamen Leiterplatte ist eine fertigungstechnisch einfache, automatisierbare Kontaktierung von Sender und Empfänger und deren Bauteile möglich und zugleich eine einfache Schirmung nach außen gegenüber der Umwelt machbar, insbesondere dann, wenn gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die elektronischen Bauteile auf der dem Optikträger zugekehrten Unterseite der Leiterplatte angeordnet werden. Dann läßt sich eine solche Schirmung durch eine Abschirmschicht in der vorzugsweise mehrlagig ausgebildeten Leiterplatte einfach realisieren, die an mindestens einer Stelle elektrisch leitend mit dem Optikträger verbunden wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die Leiterplatte möglichst parallel zu einer durch die optischen Achsen von Sende- und Empfangspfad verlaufenden Ebene. Hierdurch wird der im Gerätemodul vorhandene Bauraum optimal ausgenutzt und die freie Rückseite der Leiterplatte kann zur Unterbringung von Bedienelementen und Anzeigen herangezogen werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Umlenkspiegel als optische Filter ausgelegt, um so die Bandbreite des am angemessenen Objekt reflektierten und vom optischen Empfänger aufgenommenen Lichts zu begrenzen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind Sende- und Empfangspfad durch im Optikträger ausgebildete Kammern und Kanäle voneinander getrennt, so daß einerseits kein Licht des Sendestrahls auf den Empfänger gelangt und andererseits durch eine elektrische Schirmung das Übersprechen der Signale sende- und empfangsseitig deutlich verringert wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in einer den Kanal für den Sendepfad von dem Kanal für den Empfangspfad trennenden Trennwand des Optikträgers ein verschließbares Fenster vorgesehen. Zudem ist in den Kanal für den Sendepfad ein Ablenkelement angeordnet, das derart in den Sendepfad einschwenkbar ist, daß ein auf das Ablenkelement fallender Sendelichtstrahl durch das Fenster hindurch in den Empfangspfad eingeleitet wird. Bevorzugst verschließt das Ablenkelement in seiner aus dem Sendepfad ausgeschwenkten Stellung das Fenster in der Trennwand zwischen den beiden Kanälen. Dieser Mechanismus ist für Zwecke einer Referenzmessung vorgesehen, um daß Meßgerät entsprechend kalibrieren zu können.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Unteransicht eines Gerätemoduls mit den Komponenten von Sende- und Empfangspfad eines Entfernungsmeßgeräts,
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 2,
Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 2.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Das in Fig. 1 perspektivisch in Unteransicht und in Fig. 2-4 in verschiedenen Schnittdarstellungen zu sehende Gerätemodul 11, das nach vollständiger Montage des Meßgeräts von einem Gehäuse umschlossen ist, trägt die Komponenten zur Ausbildung eines optischen Sendepfads 12 und eines optischen Empfangspfads 13. Das Gerätemodul 11 weist einen Optikträger 14 und eine auf dem Optikträger 14 mittels Schrauben 16 (Fig. 3 und 4) befestigte Leiterplatte 15 auf. Die Leiterplatte 15 ist am Optikträger 14 möglichst parallel zu einer Ebene angeordnet, die durch die optischen Achsen 121 und 131 (Fig. 2) von Sendepfad 12 und Empfangspfad 13 verläuft und in Fig. 2 mit der Blattebene zusammenfällt. Sende- und Empfangspfad 12, 13 sind durch im Optikträger 14 ausgebildete Kanäle und Kammern 18-21 voneinander getrennt. In Fig. 3 ist der Sendekanal 18 und die Sendekammer 19, die rechtwinklig zum Sendekanal 18 ausgerichtet ist, und in Fig. 4 der Empfangskanal 20 und die Empfangskammer 21 zu sehen, die ebenfalls rechtwinklig zum Empfangskanal 20 ausgerichtet ist. In der Schnittdarstellung der Fig. 2 ist die Anordnung von Sendekanal 18 und Empfangskanal 20 im Optikträger 14 zu erkennen.
Die Komponenten des optischen Sendepfads 12 umfassen einen optischen Sender 22 der als Kollimator 24 mit einer Laserdiode 25 und einer Kollimatorlinse 26 (Fig. 3) ausgebildet ist, eine den Sendekanal 18 frontseitig abschließende Abdeckscheibe 27 aus Glas und einen am anderen Ende des Sendekanals 18 angeordneten Umlenkspiegel 28, der justierbar an dem Optikträger 14 gehalten ist. Über den Umlenkspiegel 28 läßt sich die optische Achse 121 des Sendepfads 131 justieren.
Die Komponenten des optischen Empfangspfads 13 umfassen eine Empfängeroptik 29 und einen dieser nachgeordneten Empfänger 30, der hier als Lichtdetektor 31 ausgebildet ist (Fig. 4). Die Empfängeroptik 29 besteht aus einer den Empfangskanal 20 frontseitig abschließenden Empfängerlinse mit großer Brennweite und einem am anderen Ende des Empfangskanals 20 plazierten Umlenkspiegel 33, der justierbar im Optikträger 14 gehalten ist. Über den Umlenkspiegel 33 läßt sich sowohl der Brennpunkt als auch die Richtung der optischen Achse 131 des Empfangspfads 13 verändern und justieren.
Sowohl der Kollimator 24 als auch der Lichtdetektor 31 sind an der Leiterplatte 15 befestigt, und zwar auf der dem Optikträger 14 zugekehrten Unterseite und sind dort mit weiteren, hier nicht dargestellten elektronischen Bauteilen von Sender 22 und Empfänger 30, die ebenfalls auf der Unterseite der Leiterplatte 15 angeordnet sind, kontaktiert. Die Schirmung von Sender 22 und Empfänger 30 und der elektronischen Bauteile nach außen erfolgt durch eine hier nicht dargestellte Abschirmschicht in der mehrlagig ausgebildeten Leiterplatte 15, die an mindestens einer Stelle mit dem Optikträger 14 elektrisch leitend verbunden ist. Sender 22 und Empfänger 30 sind quer zu den optischen Achse 121, 131 dicht nebeneinander mit Abstand angeordnet, wobei der Kollimator 24 in die Sendekammer 19 und der Lichtdetektor 31 in die Empfangskammer 21 hineinragt und so Sender 22 und Empfänger 30 optisch und elektrisch voneinander abgeschirmt sind. Durch diese Plazierung von Sender 22 und Empfänger 30 wird erreicht, daß eine durch die Verbindung von Leiterplatte 15 und Optikträger 14 stattfindende Deformation des Optikträgers 14 bei Temperaturgang, die zu einer Krümmung des Optikträgers 14 in Richtung der optischen Achsen 121, 131 führt, die optischen Achsen 121, 131 von Sendepfad 12 und Empfangspfad 13 um den gleichen Betrag in die gleiche Richtung ausgelenkt werden. Dadurch bleiben nach einmaliger Justierung von Sendepfad 12 und Empfangspfad 13 mittels der Umlenkspiegel 28, 33 der von dem Sendepfad 12 erzeugte Meßfleck auf einem angemessenen Objekt immer voll auf dem Lichtdetektor 31 im Empfangspfad 13 abgebildet, so daß sich die Krümmung des Optikträgers 14 nicht auf die Meßgenauigkeit des Gerätes auswirkt.
Wie in Fig. 2 und 3 zu sehen ist, ist in einer den Sendekanal 18 von dem Empfangskanal 20 trennende Trennwand 34 ein Fenster 35 vorgesehen und im Sendekanal 18 ein Ablenkelement 36 schwenkbar so angeordnet, daß es in den Strahlengang im Sendekanal 18, also in den Sendepfad 12, hinein- und aus dem Strahlengang im Sendekanal 18, also aus dem Sendepfad 12, herausgeschwenkt werden kann. In der Einschwenkstellung lenkt das Ablenkelement 36 einen vom Umlenkspiegel 28 kommenden Lichtstrahl durch das Fenster 35 in den Empfangskanal 20, wo er über einen Reflektor 37 (Fig. 2) und den Umlenkspiegel 33 auf den Lichtdetektor 31 trifft. In der Ausschwenkstellung verschließt das Ablenkelement 36 das Fenster 35. Diese Schwenkmechanik des Ablenkelements 36 dient zur Durchführung einer Referenzmessung, um das Meßgerät zu kalibrieren.

Claims

1. Meßgerät zur berührungslosen Abstandsmessung, insbesondere Handgerät, mit einem eine optische Achse (121) aufweisenden optischen Sendepfad (12), der als Komponente einen optischen Sender (22) aufweist, mit einem eine optische Achse (131) aufweisenden optischen Empfangspfad (13), der als Komponenten eine Empfängeroptik (29) und einen optischen Empfänger (30) aufweist, und mit einem die Komponenten von Sende- und Empfangspfad (12, 13) aufnehmenden Gerätemodul (11), gekennzeichnet durch eine solche Plazierung der Komponenten von Sendepfad (12) und Empfangspfad (13), daß bei einer temperaturbedingten Krümmung des Gerätemoduls (11) in Richtung der optischen Achsen (121, 131) von Sende- und Empfangspfad (12, 13) die optischen Achsen (121, 131) um den gleichen Betrag in die gleiche Richtung ausgelenkt werden.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sende- und Empfangspfad optisch derart gefaltet sind, daß Sender (22) und Empfänger (30) gemeinsam auf einer ebenen, im Gerätemodul (11) fixierten Befestigungsfläche liegen.

3. Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerätemodul (11) einen Optikträger (14) und eine fest mit dem Optikträger (14) verbundene Leiterplatte (15) aufweist, die die Befestigungsfläche für den optischen Sender (22) und den optischen Empfänger (30) bildet, und daß zur optischen Faltung von Sende- und Empfangspfad (12, 13) jeweils ein Umlenkspiegel (28, 33) im Optikträger (14) angeordnet ist.

4. Meßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (15) möglichst parallel zu einer durch die optischen Achsen (121, 131) von Sende- und Empfangspfad (12, 13) verlaufenden Ebene ausgerichtet ist.

5. Meßgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sender (22) und der optische Empfänger (30) auf der dem Optikträger (14) zugekehrten Innenseite der Leiterplatte (15) quer zu den optischen Achsen (121, 131) von Sende- und Empfangspfad (12, 13) voneinander beabstandet angeordnet sind.

6. Meßgerät nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkspiegel (28, 33) als optische Filter ausgebildet sind.

7. Meßgerät nach einem der Ansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sender (22) und der optische Empfänger (30) elektronische Bauteile aufweisen, die auf der dem Optikträger (14) zugekehrten Unterseite der Leiterplatte (15) angeordnet sind, und daß die Leiterplatte (15) mindestens eine Abschirmschicht zur elektrischen Schirmung nach außen aufweist.

8. Meßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (15) mit ihrer Abschirmschicht an mindestens einer Stelle mit dem Optikträger (14) elektrisch leitend verbunden ist.

9. Meßgerät nach einem der Ansprüche 3-8, dadurch gekennzeichnet, daß Sender- und Empfangspfad (12, 13) durch im Optikträger (14) ausgebildete Kanäle (18, 20) und Kammern (19, 21) voneinander getrennt sind.

10. Meßgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Kanäle (18, 20) möglichst parallel zu den optischen Achsen (121, 131) von Sende- und Empfangspfad (12, 13) ausgerichtet sind.

11. Meßgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (18, 20) endseitig jeweils durch eine optisch transparentes Element (27, 32) abgeschlossen sind.

12. Meßgerät nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, daß in einer den Kanal (18) für den Sendepfad (12) von den Kanal (20) für den Empfangspfad (13) trennenden Trennwand (34) des Optikträgers (14) ein verschließbares Fenster (35) vorgesehen und in dem Kanal (18) für den Sendepfad (12) ein Ablenkelement (36) angeordnet ist, das derart in den Sendepfad (12) einschwenkbar ist, daß ein auf das Ablenkelement (36) fallender Sendelichtstrahl durch das Fenster (35) hindurch in den Empfangspfad (13) eingeleitet wird.

13. Meßgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkelement (36) in seiner aus dem Sendepfad (12) ausgeschwenkten Stellung das Fenster (35) in der Trennwand (34) verschließt.

14. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sender (22) ein Kollimator (24) mit einer Laserdiode (25) und einer Kollimatorlinse (26) ist.

15. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Empfänger (30) einen Lichtdetektor (31) aufweist.